多煤源摻配制備水煤漿的實踐與探討

梁青秀， 胡宇鋒

(1. 華測檢測認證集團股份有限公司， 山東滕州 277527；2. 浙江石油化工有限公司， 浙江舟山 316000)

聯(lián)泓(山東)化學有限公司項目以煤為原料、潔凈煤技術為核心，采用國內獲得專利的具有自主知識產權的煤化工技術，核心裝置采用四噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐。氣化裝置的主要任務是將來自煤運工序的碎煤(粒度≤10 mm)，經過煤漿制備工序，制備成合格的水煤漿(質量分數(shù)≥58%)；水煤漿經高壓煤漿泵加壓至7.88 MPa，與來自空分工段的氧氣(純度≥99.6%、壓力為8.4 MPa)通過水平均布對置的2對燒嘴進入壓力為6.5 MPa、溫度為1 350 ℃的氣化爐進行反應，生成合成氣(CO+H2)(體積分數(shù)≥80%)，合成氣再送至洗滌系統(tǒng)。原料煤的使用和各項指標的控制是實現(xiàn)安穩(wěn)長滿優(yōu)生產的關鍵，所以煤炭的選型和配比摻燒對氣化爐的安全、穩(wěn)定運行有著至關重要的影響。

聯(lián)泓(山東)化學有限公司使用的煤炭以蒙煤、山西煤、本地高硫精煤為主。蒙煤主要為黃陶勒蓋原料煤，單煤試燒可以實現(xiàn)氣化爐的運行穩(wěn)定和安全，但是產氣量不高，甲醇產量相應較低；摻配本地高硫精煤后，產氣量較高，甲醇產量也較高。因此，聯(lián)泓(山東)化學有限公司根據(jù)煤炭指標的情況進行不同比例的煤炭摻燒。在選型前，需要采取各地有代表性的煤炭進行工業(yè)分析，并定期進行質量跟蹤，如果煤種有較大變化或煤層有變化時都視為新煤種，重新進行試燒前的各種分析及小試。煤炭選型的指標有：基礎指標全分析(含全水質量分數(shù)、工業(yè)分析、全硫質量分數(shù)、發(fā)熱量、灰熔點)、元素分析、灰組分、黏溫特性、成漿性試驗、哈氏可磨性指數(shù)(HGI)等。

取樣是煤炭選型過程中最重要的環(huán)節(jié)，樣品的代表性占選型的關鍵因素的70%，如果取樣和配煤不具有代表性將會使后面的選型工作毫無意義。煤炭采樣應嚴格按國標執(zhí)行，執(zhí)行國標為：GB 475—2008 《商品煤樣人工采取方法》。分析數(shù)據(jù)和各基態(tài)符號、結果表述等嚴格執(zhí)行GB/T 483—2007 《煤炭分析試驗方法一般規(guī)定》中的要求。

1 基礎全分析

基礎全分析指標是確定用煤量和各配煤指標的關鍵，氣化入爐廠控指標要求為：w(Aad)≤8.00%，w(Mt)≤13.0%，灰熔點(FT)≤1 230 ℃。配煤必須要參考基礎指標要求進行比例設定。其中，煤炭的工業(yè)分析包含：分析水、灰分和揮發(fā)分，從而計算出固定碳的數(shù)據(jù)。煤的固定碳與揮發(fā)分一樣，也是表征煤的變質程度的一個指標，隨變質程度的增高而增高。固定碳也是煤的發(fā)熱量的重要來源，所以有地方以固定碳作為煤發(fā)熱量計算的主要參數(shù)，固定碳也是合成甲醇工藝用煤的一個重要指標。

煤炭主要包含固定碳、灰分、揮發(fā)分及水，固定碳質量分數(shù)的計算公式為：

w(FCad)=100-w(Mad)-w(Aad)-w(Vad)

(1)

根據(jù)以上指標及相關國家標準要求，每一批次進廠原料煤炭都要進行基礎全分析，每一個新煤種的開發(fā)及質量跟蹤也都要進行基礎全分析，基礎全分析指標共8項，各指標煤炭符號及結果見表1。

表1 煤炭基礎全分析

2 元素分析

煤的元素組成是研究煤的變質程度、計算煤的發(fā)熱量、估算煤的干餾產物的重要指標，也是工業(yè)中以煤作燃料時進行熱量計算的基礎。煤中有機質主要由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成。隨著環(huán)保指標要求的提高，目前對氟元素和氯元素同樣有嚴格要求，所以對這兩項的嚴格控制也有利于外排水指標的控制，方便對外排水的各項指標進行追根溯源。氟元素一般是根據(jù)外排水中的氟化物指標要求和經驗數(shù)據(jù)來判斷，一般煤炭中的氟化物質量分數(shù)要求不高于0.010%，或者不高于常用煤種中氟元素的質量分數(shù)。氯元素是根據(jù)灰水中氯離子要求指標進行控制并監(jiān)測，如果某一元素含量過高，就考慮進行幾種煤炭配比后進行摻燒。各元素涉及的控制指標詳見外排水和灰水指標要求(見表2)。

表2 排水控制指標

煤炭中最多的元素是碳元素，其次是氧元素和氫元素，煤中除無機礦物質和水分以外，其余都是有機質。由于組成煤的基本結構單元是以碳為骨架的多聚芳香環(huán)系統(tǒng)，在芳香環(huán)周圍有碳、氫、氧，以及少量的氮、硫等原子組成的側鏈和官能團，如羧基(—COOH)、羥基(—OH)和甲氧基(—OCH3)。原料煤對硫的指標稍微寬一些。水煤氣產出的硫化氫經過低溫甲醇洗系統(tǒng)的硫化氫濃縮塔進行濃縮后，經甲醇洗滌塔進行洗滌后形成酸性氣，送硫回收工段進行三級克勞斯處理，產出硫黃。在對原料煤選型的過程中摻配部分高硫精煤可以提高產氣量和有效氣含量。煤炭元素分析指標見表3。從表3可以看出：部分配燒的煤種干基含硫質量分數(shù)高達2.54%，對進廠含硫質量分數(shù)更高的煤也能得到很好的處理。具體使用時還會對摻燒后的煤炭，按新煤種同樣的要求進行幾個指標的分析。

表3 煤炭元素分析指標

3 灰組分和黏溫特性分析

3.1 灰分與煤灰的熔融性和流動性的關系

煤在熱轉化過程中礦物質轉變成灰分，煤炭灰分是目前進廠原料煤炭質量的一個重要核定指標。煤灰成分、熔融特性及黏溫特性是氣化用煤的一項重要指標。研究煤炭的灰成分可以通過各成分的數(shù)據(jù)變化，判斷灰熔融的狀態(tài)，一般鋁、鐵、硅元素含量較高的灰熔融流動溫度比較高，鈣、鉀、鈉元素含量反而會通過元素間價鍵結構特點降低灰熔融流動溫度，這些元素都不會單獨存在，還有可能因為存在的狀態(tài)不同，對灰熔融性結構影響也不同[1-4]。同時，煤炭燃燒完被洗滌后形成的灰水，也是重點關注的一個項目?；曳钟捕容^大會加速沉降槽、洗滌塔及各管道的結垢情況，垢片容易堵塞管道造成停車。因此，灰成分分析也是煤炭選型的一個重要指標。煤炭選型灰成分指標見表4。由表4可以看出：不同地區(qū)、不同的煤種，灰成分結果相差比較大。因此，需要通過排放控制指標及選型要求來完成不同比例的煤種的摻燒。

表4 煤炭選型灰成分指標

3.2 黏溫特性的最佳選型區(qū)間

按排渣方式分類，煤的氣化煤炭燃燒工藝可分為固態(tài)排渣和液態(tài)排渣兩大類。液態(tài)排渣技術要求操作溫度高于煤灰流動溫度，且對應溫度范圍內的黏度為2.5～25 Pa·s或15～50 Pa·s。氣化爐采用液態(tài)排渣技術，在實際操作過程中需要確定熔渣的出口溫度，此時煤灰黏度的特性曲線就能說明灰渣溶化時的動態(tài)特性，如果溫度低于流動溫度或操作溫度區(qū)間無法達到黏度要求均會導致排渣不暢，反應器無法正常運行。研究煤灰成分對灰熔融性和黏度的影響是非常必要的，這對于特定的煤種能否滿足不同排渣方式的氣化、燃燒工藝及擴大適用煤種范圍具有十分重要的意義。煤灰礦物質組成和化學組成均與上述兩種性質有著密切聯(lián)系。如神樹畔煤的排渣操作溫度為1 225～1 375 ℃，雖然操作區(qū)間夠大，但是操作溫度上限已超過氣化爐的最高使用溫度(1 350 ℃)，只能和低灰熔融性的蒙煤配合使用，但是低灰熔點不代表流動性一定好，所以為了使節(jié)能減排做得更好，需要在選型的過程中進行篩選。煤炭選型黏溫特性曲線見圖1。

圖1 煤炭選型黏溫特性曲線

4 煤炭成漿性試驗

在氣化裝置用煤的過程中,煤漿的流動性和穩(wěn)定性都至關重要，主要涉及濃度、黏度及穩(wěn)定性試驗(析水率和落棒試驗)。

2020年10月氣化裝置反映煤漿流動性差，化驗室取回的煤漿黏度達1 000 mPa·s以上?，F(xiàn)場煤漿添加劑量不斷加大，但效果仍不理想，添加劑質量分數(shù)達到了0.8%左右。針對該情況，對所使用的煤種和添加劑進行了成漿性試驗研究，發(fā)現(xiàn)添加劑量和煤漿濃度有很大關系(見表5)。煤漿質量分數(shù)在62.5%左右、添加劑質量分數(shù)在0.3%時，煤漿流動性良好。煤漿質量分數(shù)在63%左右時，流動性尚可，但黏度較高。針對這個現(xiàn)象，對所有煤炭選型的過程中都增加了成漿性試驗項目，對添加劑的配方也做了一定的研究。

表5 煤炭成漿性試驗

級配比以試驗前1個月的煤漿粒度分析數(shù)據(jù)的平均值為基準。單煤種或者配比煤種后混勻磨成煤粉后的各級篩的通過物，參考生產實際值，選取不同質量、不同粒度的煤粉質量進行混勻后的煤樣，混勻后的煤樣對分析水要進行單獨分析后再進行濃度、黏度等分析。通過落棒試驗和析水率評定煤漿的穩(wěn)定性。析水率越高，說明煤漿穩(wěn)定性越差；玻璃棒能自由落棒到底，說明煤漿比較穩(wěn)定，硬沉淀越少越好。煤漿的流動性則通過試驗觀察和黏度綜合進行評定。

由表5可以看出：神樹畔煤在上述級配比的粒度條件、較高濃度下，流動性和穩(wěn)定性比較好。在同樣的成漿條件下，煤漿添加劑的添加質量分數(shù)在1.5%～2.0%都會有較大變化，實驗室分析發(fā)現(xiàn)，該煤種和之前煤種的成漿性差異較大，低濃度基數(shù)配比反而不佳，高濃度基數(shù)配比之下，成漿性、8 h穩(wěn)定性、72 h穩(wěn)定性都還可以,添加劑量隨著濃度的提高有所調整會更好。

5 HGI

HGI是一個無量綱的物理量，反映了不同煤樣破碎成粉的相對難易程度。HGI越大，說明在消耗一定能量的條件下，相同量規(guī)定粒度的煤樣磨制成粉的細度越細。

由于不同的煤漿質量分數(shù)和黏度會受粒度影響，同樣棒磨條件下，HGI越高越好。對于四噴嘴氣化爐來說，HGI在55～65最佳，如果HGI低于55需要考慮摻配使用。HGI的合理控制能使棒磨機在同樣的磨棒負荷情況下，得到最優(yōu)的級配比，提高磨棒的使用壽命，避免斷棒現(xiàn)象發(fā)生，能有效提高煤漿濃度，提高產氣比，從而提高產量，獲得更高的效益。各煤種的HGI見表6。

表6 各煤種的HGI

6 結語

經過煤炭指標選型，即可確定煤炭摻燒的比例。不同的煤炭，其配比不同。目前運行中煤種最佳使用質量比有：1∶3(神樹畔煤∶黃陶煤)、1∶5(西灣煤∶黃陶煤)、1∶3∶6(杭來灣煤∶邱集煤∶黃陶煤)。

綜合成本分析選取最佳組合、最優(yōu)價格對煤炭進行比例配煤。選型過程中對灰水的硬度和氯離子含量，外排水的各項控制指標都進行了綜合考量，實現(xiàn)多聯(lián)產、節(jié)能減排、清潔生產。裝置自建成投產以來，通過強化生產管理、優(yōu)化生產運行、實施技術創(chuàng)新、挖掘裝置潛力等多措并舉，實現(xiàn)經濟高效運行，長周期、單耗及產能均在設計基礎上有較大突破。